月球基建革命：人类如何在辐射、温差300℃的环境下造房子？

这意味着月球上的建筑结构必须利用当地资源制造，这一过程被称为“就地资源利用”（ISRU）。在月球上，这一过程利用增材制造（AM）或3D打印技术的进步，将月球风化层转化为建筑材料。然而，由于技术问题，大多数3D打印技术在月球表面无法应用。

在最近的一项研究中，由阿肯色大学领导的研究小组提出了一种替代方法，即利用基于光的烧结技术制造月球砖，而不是打印整个建筑结构。

之前我们也说过月球的基地建设的方案，今天我们看下通过在月球上“就地资源利用”（ISRU）。

未来月球基地的愿景：利用3D打印技术建造和维护。

作为阿尔忒弥斯三号任务的一部分，NASA计划到2028年将“第一位女性和第一位有色人种”送上月球。

这将是自1972年阿波罗宇航员最后一次登陆月球以来，人类首次踏上月球表面。NASA希望与国际和商业合作伙伴携手，通过阿尔忒弥斯计划实现“持续的月球探索和发展计划”，其中可能包括在月球上建立长期设施和栖息地。考虑到发射重型有效载荷的成本，将所有所需设备和材料送上月球并不现实。

-就地资源利用-

这意味着月球上的建筑结构必须利用当地资源制造，这一过程被称为“就地资源利用”（ISRU）。在月球上，这一过程利用增材制造（AM）或3D打印技术的进步，将月球风化层转化为建筑材料。

然而，由于技术问题，大多数3D打印技术在月球表面无法应用。在最近的一项研究中，由阿肯色大学领导的研究小组提出了一种替代方法，即利用基于光的烧结技术制造月球砖，而不是打印整个建筑结构。

该研究团队由阿肯色大学机械工程系助理教授万寿（Wan Shou）领导。团队成员包括科尔·麦卡勒姆（Cole McCallum）、梁有文（Youwen Liang）以及该大学工程学院荣誉学院研究员、研究助理兼博士生纳希德·图沙尔（Nahid Tushar）。团队成员还包括来自休斯顿大学机械与航空航天工程系和坦佩雷大学工程与自然科学学院的研究人员。

月球栖息地概念图，由建筑公司 Foster + Partners 设计

自阿波罗时代以来，在月球上建立永久（或半永久）基地一直是研究和提案的主题。

这些计划一直受到一个简单的事实的制约：所需的机械和建筑材料需要许多重型运载火箭才能运送，成本高昂。虽然在过去十年中，由于商业航天领域可重复使用火箭的研发，有效载荷的发射成本已大幅下降，但发射宇航员建造月球设施所需的所有设备的成本仍然高得令人望而却步。

因此，只有ISRU技术才能在月球上建造基地。遗憾的是，大多数提出的3D打印结构方法在月球环境下并不实用，因为月球重力明显较低（仅为地球重力的16.5%），且温度极端。在月球南极-艾特肯盆地，阴影区，那里极有可能有“水冰”存在，这为科学家们在月球上找水，甚至建立月球基地带来了希望。月球背面的昼夜温差也很大，白天温度约零上180摄氏度，夜间零下150摄氏度，昼夜温差约330摄氏度。这是因为大多数AM方法需要向月球发射额外的补给，包括溶剂、聚合物或其他粘合剂。

例如，欧洲航天局 (ESA) 与建筑公司Foster + Partners合作，创建了3D 打印的月球基地概念。正如寿教授所解释的那样：

目许多增材制造方法需要使用溶剂来制备用于挤出或打印的糊状物或复合材料。

这些方法并不可行，因为运输溶剂的成本可能非常高，而且溶剂的蒸发可能会引发许多潜在问题。一些方法使用粘合剂或聚合物来实现增材制造。

它们也存在类似的问题——运输额外的材料、处理废料。此外，运行这些机器（例如打印机）需要能源供应。

烧结技术也已被探索作为在月球上3D打印结构的一种潜在方法。这包括使用各种能源，例如微波和激光，这些能源可以熔化或部分熔化月壤。然后，该结构被逐层打印出来，一旦暴露在空气或月球环境的真空中，就会冷却并硬化。然而，这些方法仍然需要复杂的系统来产生能量。

“因此，我们的团队设想了一种只需要月球材料来建造结构本身的系统，从而消除了从地球进行粘合剂补给任务的瓶颈，”描述他们研究成果的论文的第一作者科尔补充道。

他们提出并推荐的方法被称为光基烧结，它依靠一组光学装置聚集的阳光将月球风化层直接烧结成结构。研究人员已经在地球上使用月球风化层模拟物制造玻璃和镜子，测试了这项技术。在月球上，太阳能在阳光照射的区域始终存在且丰富，这使得它比需要运输的电源可靠得多。该系统的简单性使其非常适合在一旦发生故障难以维修的恶劣环境中使用。

然而，实验表明，该技术在制造大型复杂结构时仍然存在问题。为此，苏的团队转而专注于制造建筑构件。科尔说：

虽然大多数关于该主题的研究仍然依赖于粘合剂和月球土壤的混合物，但月壤中的二氧化硅含量很高，在足够高的温度下，它可以在烧结时自行粘合。我们在尝试用这种方法制造更大的结构时发现，其均匀性较差，因此制造出的部件精度也较低。
由此，我们确定该方法的最佳应用场景是专注于制造大量可互锁且可重构的积木，用于大型结构。我们相信这种“乐高积木”方法的另一个优势在于，由于制造每个单元所需的整体空间要小得多，设备能够适应月球任务的体积限制。

他们的工作建立在现有的烧结技术研究基础之上，该技术利用不同的能源熔化月球风化层并制造建筑材料。

其中包括美国宇航局与太空建筑公司SINTERHAB的合作，后者提议为该机构的全地形六肢地外探测器（ATHLETE）配备微波烧结技术，以建造一个3D打印的月球栖息地。

然而，科尔表示，他们的概念尤其吸引人，因为它能够生产可重构砖块。

我们的砖块组件的可重构性尤其令人兴奋，因为它使我们能够在建造过程中实现极大的灵活性。由于不同部件对材料的要求不同，我们可以根据所面临的问题采用各种各样的技术。对于需要大量材料且精度要求不高的结构，例如辐射屏蔽，我们认为我们的方法前景广阔。

然而，在这一概念得以实现之前，仍有许多工作要做。正如Shou所指出的，需要进行更多研究来优化烧结参数和材料特性。

该团队还计划建造一个原型并进行实验室测试，希望以此改进和扩展这项技术，使其能够在月球上使用。他们还需要考虑最终的3D打印机如何在月球表面自行移动、它将依赖哪些电源选项以及其他一些因素。

那么你是否还有其他办法到月球基建！？